化工工艺设计基本要素

化工工艺设计基本要素（适合初学者）

1. 概述

1.1 要建设一个化工厂，必须具有一批化工工艺专业技术人员，这批化工工艺专业技术人员必须具备下列基本条件。

①掌握化工基本理论：如化工热力学、流体力学、传热、传质、化学反应动力学（化学反应工程）。

②掌握化工工艺设计方法和技能

工艺设计的任务、设计范围、工艺设计人员职责。

化工基本理论的应用（化工设计方法）。

工艺设计基本程序（工艺设计技能）。

工艺设计的成品文件（内容及深度）。

工艺设计的质量保证程序。

③熟悉环保、安全、消防等方面的法规，如：

HG20667-1986 化工建设项目环境保护设计规定

SH3024-95 石油化工企业环境保护设计规范

HG20571-95 化工企业安全卫生设计规定

SH3047-93 石油化工企业职业安全卫生设计规范

GBJ16-87(2001版) 建筑设计防火规范

GB50160-92(1999版) 石油化工企业设计防火规范

GB50058-92 爆炸和危险性环境电力装置设计规范

④一定的工作经验

1.2 化工建设项目阶段

1.2.1 建设项目阶段的划分以工程公司为主体，通常分为三个阶段

项目前期：项目建议书→ 批准后即为立项

可行性研究报告→ 批准后即可展开工程设计

工程设计：按国内审批要求分为：初步设计→ 批准后建设单位即可开工。

施工图设计

按国际常规做法分为：基础设计、详细设计

施工、安装、试车、性能考核及国家验收（验收后工厂投入正常运行）

1.2.2 建设项目阶段的划分以建设单位为主体，通常分为四个阶段

项目前期、工程设计、工程建设、工厂投入生产

2. 工艺设计的内容和深度

2.1 工艺设计的文件包括三大内容：

文字说明（工艺说明）、图纸、表格

2.1.1 文字说明（工艺说明）

1）工艺设计的范围。

设计基础：生产规模、产品方案、原料，催化剂，化学品，公用工程燃料规格、产品及

副产品规格。

2）工艺流程说明：生产方法、化学原理、工艺流程叙述。原料、催化剂、化学品及燃料消耗定额及消耗量。

3）公用工程（包括水、电、汽、脱盐水、冷冻、工艺空气、仪表空气、氮气）消耗定额及消耗量。

4）三废排放：包括排放点、排放量、排放组成及建议处理方法

5）装置定员

6）安全备忘录（另行成册）

7）技术风险备忘录（通常为对内使用，另行成册）

8）操作指南（通常为对内使用，另行成册。供工艺系统、配管等专业使用）

2.1.2 图纸

1）PFD：是PID的设计依据，供基础设计使用（通常分版次逐版深化）。

包括全部工艺设备、主要物料管道（表示出流向、物料号）、主要控制回路、联锁方案、加热和冷却介质以及工艺空气进出位置。

2）建议设备布置图：是总图布置、装置布置的依据，供基础设计使用（通常为平面布置图）。根据工艺流程的特点和要求进行布置。

3）PCD：通常是设计院内部设计过程文件、最终体现在终版PFD中（通常由自控专业完成）。

2.1.3 表格

1）物料平衡表：包括物流组成、温度、压力、状态、流量、密度、焓值、粘度等理化常数（热负荷表示在此表中或PFD 图上）。

2）工艺设备数据表：根据设备形式不同、作用不同以及介质不同可分为容器、塔器、换热器、工业炉、机泵、搅拌器的等。工艺设备数据表需表示出设备位号、介质名称、操作压力、设计压力、操作温度、设计温度、材质、传动机构、外形尺寸、特征尺寸及特殊要求。（各设计院均有各种规定的表格）。

3）工艺设备表

4）取样点汇总表Ø

5）装置界区条件表：通常由工艺系统专业来完善并最终发表（包括原材料、公用工程、产品、副产品、进出界区条件等）。

2.2 补充说明：化工工艺专业尚需参加前期工作，主要前期工作有：

项目建议书；可行性报告编制工作。

项目报价书；投标书、技术文件编制工作。

引进项目：包括询价书、投标书的评标、合同技术附件谈判。

大中型联合装置总体规划设计。

3. 工艺设计方法（化工基本理论的应用）

3.1 工艺路线的选择

原料来源

经济效益和社会效益（生产成本）

环境保护

其它，如操作条件、安全、消防、投资、工艺先进性，可行性，合理性。

3.2 工艺流程方案优化

①“洋葱头”模型（由史密斯、林霍夫提供的模型）

从图中可以看出设计的核心是反应系统的设计和开发。“洋葱头”模型强调过程开发和设计的有序和分层性质。

②反应流程优化

反应流程优化需要考虑的问题较多，问题复杂。如反应动力学、反应收率、催化剂特性、反应历程、反应途径。

反应器的最优操作条件有如何保证反应温度、反应压力、混合要求、换热要求、各物料配比、给定条件下的生产成本等等。

③精馏流程的优化

精馏流程如需要分离R个组份，就需要有R-1个精馏塔。

精馏优化需要考虑：那种组份为主产品，那种组份为付产品。

产品的规格要求。

精馏流程的优化法1）：试探法，主要规则如下：

优先使用普通精馏。

尽量避免减压操作和使用冷量。

产品数应最少。

腐蚀性、危险性的组份应优先分出。

难分离的组分最后分出。

最大量组份应优先分出。

塔顶、塔釜产物最好等摩尔分离。

精馏流程的优化法2）：调优法

精馏流程的优化法3）：数学规划法

④蒸发流程的优化

1）单效、双效、三效蒸发。

2）热泵蒸发、膜式蒸发。

3）多级闪蒸。

4）强制循环蒸发、自然循环蒸发、。

结合蒸发器的类型（标准、悬框、列文、强制循环蒸发器）进行选择。

3.3 工艺设备的选择

①反应器：

连续1）均相1）活塞流（管式）

2）半连续2）非均相2）全混釜（搅拌釜）

3）间歇

以上反应器的选择要根据物料性质、稳定性、反应复杂性、产品规模、反应时间、温度、压力等因素综合考虑。

不同类型的反应器在工业生产中的应用情况见P-547。

气液相反应器及固相反应器的使用情况见P-548。

固体催化反应器的使用情况见表7.4.3-3(P-548)。

②气液传质设备：

1）板式塔：泡罩、浮阀、筛板等。板式塔塔板流体流向分布类型可分为U形流，单溢流，双溢流等

2）填料塔：a拉西环、鲍尔环、矩鞍环等填料。

b散堆、规整填料。

c实体填料、丝网填料。

以上传质设备的选择要根据分离难易程度、压降大小、真空（热敏性物料）、物料性质、投资情况、腐蚀情况、物料清洁情况、安全要求、弹性大小、发泡等情况选择。(见P-549)

③传热设备：

按功能分：冷却器、冷凝器、加热器、换热器、再沸器、蒸汽发生器、过热器、废热锅炉等。

按结构型式分：采用二物流换热的换热器从结构上分有以下5种型式：

A.管壳式（固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式）

B.板式（板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式）

C.管式（空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式）

D.液膜式（升降膜式、刮板薄膜式、离心薄膜式）

E.其它型式（板壳式、热管式）

以上型式换热器的选择依据是：